Chapitre J La protection contre les surtensions

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Chapitre J
La protection contre
les surtensions
Sommaire
1
2
3
4
5
6
Caractéristiques des surtensions d’origine atmosphérique J2
1.1 Généralité sur les surtensions
J2
1.2 Caractéristiques des surtensions d’origine atmosphérique
J3
1.3 Effets sur les installations électriques
J3
1.4 Caractérisation de l’onde de foudre
J6
Principe de la protection foudre
J7
2.1 Règles Générales
J7
2.2 Système de protection du bâtiment
J7
2.3 Système de protection de l’installation électrique
J9
2.4 Le Parafoudre
J10
Conception du système de protection de l’installation
électrique
J13
3.1 Règle de conception
J13
3.2 Eléments du système de protection
J14
3.3 Caractéristiques communes des parafoudres suivant les
caractéristiques de l’installation
J16
3.4 Choix d’un parafoudre de type 1
J19
J20
3.6 Choix des dispositifs de déconnexion
J20
3.7 Tableau de coordination parafoudre et dispositif de protection
J23
Installation des parafoudres
J25
4.1 Raccordement
J25
4.2 Règles de câblage
J26
Application
J28
5.1 Exemples d’installation
J28
Compléments techniques
J29
6.1 Normes des protections foudre
J29
6.2 Les composants d’un parafoudre
J29
6.3 Signalisation fin de vie
J30
6.4 Caractéristiques détaillées du dispositif de protection externe
J31
6.5 Propagation d’une onde de foudre
J33
J1
© Schneider Electric - tous droits réservés
6.6 Exemple de courant de foudre en mode différentiel en schéma TT J34
Schneider Electric - Guide de l'installation électrique 2010
GIE_chap_J-2010.indb 1
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J - La protection contre les surtensions
1 Caractéristiques des
surtensions d’origine
atmosphérique
1.1 Généralité sur les surtensions
1.1.1 Différents types de surtension
Une surtension est une impulsion ou une onde de tension qui se superpose à la
tension nominale du réseau (cf. Fig. J1).
Tension
Impulsion de type foudre
(durée = 100 µs)
Onde oscillatoire amortie de
type choc de manoeuvre
(F = 100 kHz à 1 MHz)
Temps
Fig. J1 : Exemple de surtensions
J2
Ce type de surtension est caractérisé par (cf. Fig. J2) :
b le temps de montée tf (en µs),
b la pente S (en kV/µs).
Une surtension perturbe les équipements et produit un rayonnement
électromagnétique. En plus, la durée de la surtension (T) cause un pic énergétique
dans les circuits électriques qui est susceptible de détruire des équipements.
Tension (V ou kV)
U max
50 %
Temps (µs)
tf Temps de montée
T Durée de la surtension
Fig. J2 : Principales caractéristiques d’une surtension
Quatre types de surtension peuvent perturber les installations électriques et les
récepteurs :
b surtensions de manœuvre :
surtensions à haute fréquence ou oscillatoire amortie (cf. Fig. J1) causées par une
modification du régime établi dans un réseau électrique (lors d’une manœuvre
d’appareillage).
b les surtensions à fréquence industrielle :
surtensions à la même fréquence que le réseau (50, 60 ou 400 Hz) causées par
un changement d’état permanent du réseau (suite à un défaut : défaut d’isolement,
rupture conducteur neutre, ..).
b surtensions causées par des décharges électrostatiques.
Surtensions à très haute fréquence très courtes (quelques nanosecondes) causées
par la décharge de charges électriques accumulées (Par exemple, une personne
marchant sur une moquette avec des semelles isolantes se charge électriquement à
une tension de plusieurs kilovolts).
b surtensions d’origine atmosphérique.
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atmosphérique
1.2 Caractéristiques des surtensions d’origine
atmosphérique
Les coups de foudre en quelques chiffres :
les éclairs produisent une énergie électrique
impulsionnelle extrêmement importante (cf.
Fig.J4)
b de plusieurs milliers d'ampères (et de
plusieurs milliers de volts),
b de haute fréquence (de l'ordre du
mégahertz),
b de courte durée (de la microseconde à la
milliseconde).
Dans le monde, entre 2000 et 5000 orages sont constamment en formation. Ces
orages sont accompagnés de coups de foudre qui constituent un sérieux risque pour
les personnes et les matériels. Les éclairs frappent le sol à la moyenne de 30 à 100
coups par seconde, soit 3 milliards de coups de foudre chaque année.
Le tableau de la figure J3 indique les valeurs caractéristiques de foudroiement.
Comme il peut être constaté, 50% des coups de foudre sont d’intensité supérieure
à 33 kA et 5% d’intensité supérieure à 65 kA. L’énergie transportée par le coup de
foudre est donc très élevée.
Probabilité cumulée %
Courant crête (kA)
Gradient (kA/µs)
95
7
9,1
50
33
24
5
65
65
1
140
95
0
270
Fig. J3 : Valeurs des décharges de foudre données par la norme CEI 62305
Courant
1er arc en retour
l
arcs subséquents
J3
l/2
t1
t2
t3
Temps
Fig. J4 : Exemple de courant de foudre
La foudre cause aussi un grand nombre d’incendies, la plupart en milieu agricole
(détruisant les habitations ou les rendant hors d’usage). Les bâtiments de grande
hauteur sont les bâtiments plus particulièrement foudroyés.
1.3 Effets sur les installations électriques
La foudre endommage particulièrement les installations électriques ou électroniques :
les transformateurs, les compteurs électriques, les appareils électroménagers dans
le résidentiel comme dans l’industrie.
Le coût de réparation des dommages causés par la foudre est très élevé. Mais il est
très difficile d’évaluer les conséquences :
b des perturbations causées aux ordinateurs et aux réseaux de télécommunication,
b des défauts créés dans le déroulement de programme des automates ou dans les
systèmes de régulation.
De plus les pertes d’exploitation peuvent avoir des coûts très supérieurs à ceux du
matériel détruit.
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La foudre est un phénomène électrique à
haute fréquence qui produit des surtensions
sur tous les éléments conducteurs et
particulièrement sur les câblages et les
équipements électriques.
1.3.1 Impacts des coups de foudre
Les coups de foudre peuvent toucher les installations électriques (et/ou de
communication) d’un bâtiment de deux manières :
b par impact direct du coup de foudre sur le bâtiment (a) (cf. Fig. J5 et Fig J6a),
b par impact indirect du coup de foudre sur le bâtiment :
b un coup de foudre peut tomber sur une ligne électrique aérienne alimentant le
bâtiment (b) (cf. Fig. J5). La surintensité et la surtension peuvent se propager à
plusieurs kilomètres du point d’impact.
b un coup de foudre peut tomber à proximité d’une ligne électrique (c) (cf. Fig. J5 et
Fig J6b). C’est le rayonnement électromagnétique du courant de foudre qui induit un
fort courant et une surtension sur le réseau d’alimentation électrique.
Dans ces deux derniers cas, les courants et les tensions dangereuses sont
transmises par le réseau d’alimentation.
b un coup de foudre peut tomber à proximité du bâtiment (d) (cf. Fig. J6c). Le
potentiel de terre autour du pont d’impact monte dangereusement.
a
b
Installation
électrique
c
d
J4
Prise de terre
installation
Fig. J5 : Les différents types d’impact de foudre
Dans tous les cas, les conséquences pour les installations électriques et les
récepteurs peuvent être dramatiques.
La foudre tombe sur une structure non protégée
(cf. Fig. J6a).
Installation
électrique
Prise de terre
installation
La foudre tombe à proximité d’une ligne
aérienne (cf. Fig. J6b).
Installation
électrique
Prise de terre
installation
La foudre tombe à proximité d’un bâtiment (cf.
Fig. J6c)
Installation
électrique
Prise de terre
installation
Fig. J6a : La foudre tombe sur un bâtiment non
protégé
Fig. J6b : La foudre tombe à proximité d’une ligne
aérienne
Fig. J6c : foudre tombe à proximité d’un bâtiment
Le courant de foudre s’écoule à la terre à travers les
structures plus ou moins conductrices du bâtiment
avec des effets très destructeurs :
Le courant de coup de foudre génère des
surtensions par induction électromagnétique dans
le réseau de distribution.
Ces surtensions se propagent le long de la ligne
jusqu’aux équipements électriques à l’intérieur des
bâtiments.
Le coup de foudre génère les mêmes types de
surtension qui sont décrits ci-contre.
De plus, le courant de foudre remonte de la terre
vers l’installation électrique provoquant ainsi le
claquage des équipements.
b effets thermiques : échauffements très violents
des matériaux provoquant l’incendie
b effets mécaniques : déformations de structures
b amorçages thermiques : phénomène
particulièrement dangereux en présence
de matières inflammables ou explosives
(hydrocarbures, poussières...).
Le bâtiment et les installations à l’intérieur
du bâtiment sont généralement détruits
Les installations électriques à l’intérieur du bâtiment sont généralement détruites.
Fig. J6 : Conséquence de l'impact de la foudre
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atmosphérique
1.3.2 Les différents modes de propagation
b le mode commun
Les surtensions en mode commun apparaissent entre les conducteurs actifs et
la terre : phase/terre ou neutre/terre (cf. Fig. J7). Elles sont dangereuses surtout
pour les appareils dont la masse est connectée à la terre en raison des risques de
claquage diélectrique.
Ph
Equipement
N
Imc
Surtension
mode commun
Imc
Fig. J7 : Le mode commun
b le mode différentiel
Les surtensions en mode différentiel apparaissent entre conducteurs actifs
phase/phase ou phase/neutre (cf. Fig. J8). Elles sont particulièrement dangereuses
pour les équipements électroniques, les matériels sensibles de type informatique, etc.
J5
Ph
N
Imd
Surtension en
mode différentiel
Equipement
Imd
Fig. J8 : Le mode différentiel
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atmosphérique
1.4 Caractérisation de l’onde de foudre
L’analyse des phénomènes permet de définir les types d’ondes de courant et de
tension de foudre.
b 2 types d’onde de courant sont retenus par les normes CEI :
b onde 10/350 µs : pour caractériser les ondes de courants de coup de foudre direct
(cf. Fig. J9),
I
Max.
100 %
50 %
t
(µs)
10
350
Fig. J9 : Onde de courant 10/350 µs
b onde 8/20 µs : pour caractériser les ondes de courants de coup de foudre indirect
(cf. Fig. J10).
I
Max.
100 %
J6
50 %
t
(µs)
8
20
Fig. J10 : Onde de courant 8/20 µs
Ces 2 types d’onde de courant de foudre sont utilisés pour définir les essais des
parafoudres (norme CEI 61643-11) et l’immunité des équipements aux courants de
foudre. La valeur crête de l’onde de courant caractérise l’intensité du coup de foudre.
b Les surtensions crées par les coups de foudre sont caractérisées par une onde de
tension 1,2/50 µs (cf. Fig. J11).
Ce type d’onde de tension est utilisé pour vérifier la tenue des équipements aux
surtensions d’origine atmosphérique (tension de choc suivant CEI 61000-4-5).
V
Max.
100 %
50 %
1.2
50
t
(µs)
Fig. J11 : Onde de tension 1,2/50 µs
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2 Principe de la protection foudre
2.1 Règles Générales
La système de protection d’un bâtiment contre
les effets de la foudre doit comprendre :
b une protection des structures contre les
coups de foudre directs,
b une protection de l’installation électrique
contre les coups de foudre directs et indirects.
2.1.1 Démarche pour prévenir les risques de foudroiement
Le principe de base de la protection d'une installation contre les risques de
foudroiement consiste à empêcher l'énergie perturbatrice d'atteindre les
équipements sensibles. Pour cela, il est nécessaire :
b de capter et de canaliser le courant de foudre vers la terre par le chemin le plus
direct (en évitant la proximité des équipements sensibles),
b de réaliser l'équipotentialité de l'installation.
Cette liaison équipotentielle est réalisée par des conducteurs d'équipotentialité,
complétée par des parafoudres ou par des éclateurs (éclateur de mât d'antenne par
exemple).
b de minimiser les effets induits et indirects par la mise en œuvre de parafoudres et
ou de filtres.
Deux systèmes de protection sont utilisés pour supprimer ou limiter les surtensions :
ils sont désignés comme système de protection du bâtiment (à l’extérieur des
bâtiments) et système de protection de l’installation électrique (à l’intérieur des
bâtiments).
2.2 Système de protection du bâtiment
Le rôle du système de protection du bâtiment est de le protéger contre les coups de
foudres directs.
Le système est composé :
J7
b du dispositif de capture : le paratonnerre,
b des conducteurs de descente destinés à écouler le courant de foudre vers la terre,
b des prises de terre en patte d’oie reliées entre elles,
b des liaisons entre toutes les masses métalliques (réseau d’équipotentialité) et les
prises de terre.
En effet, lors de l'écoulement du courant de foudre dans un conducteur, si des
différences de potentiel apparaissent entre celui-ci et les masses reliées à la terre
qui se trouvent à proximité, celles-ci peuvent entraîner des amorçages destructeurs.
2.2.1 Les 3 types de paratonnerre
Trois types de protection du bâtiment sont utilisés :
b Le paratonnerre à tige simple
Le paratonnerre à tige est une pointe de capture métallique placée au sommet du
bâtiment. Il est mis à la terre par un ou plusieurs conducteurs (souvent des bandes
de cuivre) (cf. Fig. J12).
Paratonnerre
à tige simple
Borne de
vérification
Prise de terre
en patte d'oie
Fig. J12 : Protection par un paratonnerre à tige simple
Conducteur de
descente à la
terre (bande
de cuivre)
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b Le paratonnerre à fil tendu
Ces fils sont tendus au dessus de la structure à protéger. Ils sont utilisés pour
protéger des structures particulières : aires de lancement de fusées, applications
militaires et protection des lignes aériennes à haute tension
(cf. Fig. J13).
b Le paratonnerre à cage maillée (cage de Faraday)
Cette protection consiste à multiplier de manière symétrique les conducteurs-rubans
de descente tout autour du bâtiment. (cf. Fig. J14).
Ce type de paratonnerre est utilisé pour des bâtiments très exposés abritant des
installations très sensibles comme des salles informatiques.
Fils de cuivre étamés de 25 mm 2
Pylône métallique
d > 0.1 h
h
Ceinturage d'équipotentialité
Fig. J13 : Exemple de protection contre la foudre par paratonnerre à fils tendus
J8
Fig. J14 : Exemple de protection contre la foudre utilisant le principe de la cage maillée (cage de
Faraday)
2.2.2 Incidence de la protection du bâtiment sur les
équipements de l’installation électrique
Installation
électrique
I
i
Prise de terre
installation
50% du courant de foudre écoulée par le système de protection du bâtiment remonte
dans les réseaux de terre de l’installation électrique (cf. Fig. J15) : la montée
en potentiel des masses dépasse très fréquemment la tenue des isolations des
conducteurs des différents réseaux (BT, Télécommunications, câble vidéo, etc.). De
plus, l’écoulement du courant à travers les conducteurs de descente génère des
surtensions induites dans l’installation électrique.
En conséquence, le système de protection du bâtiment ne protège pas l’installation
électrique : il est donc obligatoire de prévoir un système de protection de l’installation
électrique.
Fig. J15 : Retour de courant de foudre direct
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2.3 Système de protection de l’installation électrique
L’objectif principal du système de protection de l’installation électrique est de limiter
les surtensions à des valeurs acceptables pour les équipements.
Le système de protection de l’installation électrique est composé :
b d’un ou de plusieurs parafoudres selon la configuration du bâtiment,
b du réseau d’équipotentialité : maillage métallique des masses et éléments
conducteurs.
2.3.1 Mise en œuvre
La démarche pour protéger les installations électriques et de communication d’un
bâtiment est la suivante
Recherche d’information
b Identifier tous les récepteurs sensibles et leur localisation dans le bâtiment,
b Identifier les réseaux de puissance et de communication et leur point d’entrée
respectif dans le bâtiment,
b Vérifier la présence éventuelle d’un paratonnerre sur le bâtiment ou à proximité,
b Prendre connaissance de la réglementation applicable à la situation du bâtiment,
b Evaluer le risque de foudroiement en fonction de la situation géographique, le type
d’alimentation, la densité de foudroiement, …
Mise en œuvre de la solution
b Réaliser l’équipotentialité des masses par un maillage,
b Installer un parafoudre dans le tableau d’arrivée BT,
b Installer un parafoudre complémentaire dans chaque tableau divisionnaire situé à
proximité des équipements sensibles (cf. Fig. J16).
J9
SPD
Alimentation MT
SPD
SPD
SPD
Réseau souterrain MT
si L>30m
SPD
Alimentation MT
SPD
SPD
Fig. J16 : Exemple de protection d’une installation électrique de grande dimension
si L>30m
Réseau souterrain MT
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2.4 Le Parafoudre
Les dispositifs de protection par parafoudre
sont utilisés pour les réseaux d’alimentation
électrique, les réseaux téléphoniques, les bus
de communication ou d’automatisme.
Le parafoudre est un composant du système de protection de l’installation électrique.
Ce dispositif est connecté en parallèle sur le circuit d’alimentation des récepteurs
qu’il doit protéger (cf. Fig. J17). Il peut aussi être utilisé à tous les niveaux du réseau
d’alimentation.
C’est le type de protection contre les surtensions le plus utilisé et le plus efficient.
Disjoncteur de
branchement
Courant
de foudre
SPD
Equipements sensibles
Fig. J17 : Principe de la protection en parallèle
J10
Principe
Le parafoudre est un dispositif destiné à limiter les surtensions transitoires d’origine
atmosphérique et à dériver les ondes de courant vers la terre, afin de limiter
l’amplitude de cette surtension à une valeur non dangereuse pour l’installation
électrique et l’appareillage électrique.
Le parafoudre élimine les surtensions :
b en mode commun, entre phase et neutre ou terre,
b en mode différentiel, entre phase et neutre.
En cas de surtension supérieure au seuil de fonctionnement, le parafoudre
b conduit l’énergie à la terre, en mode commun,
b répartit l’énergie dans les autres conducteurs actifs, en mode différentiel.
Les trois types de parafoudre :
b parafoudre de type 1
Le parafoudre de type 1 est préconisé dans le cas particulier des bâtiments tertiaires
et industriels, protégés par un paratonnerre ou par une cage maillée.
Il protège l’installation électrique contre les coups de foudre directs. Il permet
d’écouler le courant de foudre « en retour » se propageant du conducteur de terre
vers les conducteurs du réseau
Les parafoudres de type 1 sont caractérisés par une onde de courant 10/350 µs.
Le parafoudre de type 2 est la protection principale de toutes les installations
électriques basse tension. Installé dans chaque tableau électrique, il évite la
propagation des surtensions dans les installations électriques et protège les
récepteurs.
Les parafoudres de type 2 sont caractérisés par une onde de courant 8/20 µs.
Ces parafoudres possèdent une faible capacité d’écoulement. Ils sont donc
obligatoirement installés en complément des parafoudres de type 2 et à proximité
des récepteurs sensibles.
Les parafoudres de type 3 sont caractérisés par une combinaison des ondes de
tension (1,2/50 µs) et de courant (8/20 µs).
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b Définition normative des parafoudres
Coup de foudre direct
Coup de foudre indirect
CEI 61643-1
Classe I test
Classe II test
Classe III test
CEI 61643-11/2007
Type 1 : T1
Type 2 : T2
Type 3 : T3
EN/IEC 61643-11
Type 1
Type 2
Type 32
Former VDE 0675v
B
C
D
Type d'onde d'essais
10/350
8/20
1.2/50 +8/20
Note 1: il existe des parafoudres T1 + T2 soit (B+C) combinant la protection des récepteurs contre les coups de foudre directs et indirects.
Note 2: les parafoudres T2 peuvent aussi être déclarés en T3 .
Fig. J18 : Définition normative des parafoudres
2.4.1 Caractéristiques des parafoudres
La norme internationale CEI 61643-1Edition 2.0 (03/2005) définit les caractéristiques
et les essais des parafoudres connectés aux réseaux de distribution basse tension
(cf. Fig. J19)
b caractéristiques communes
v Uc : tension maximale de service permanent
C’est la tension efficace ou continue au delà de laquelle le parafoudre devient
passant. Cette valeur est choisie en fonction de la tension du réseau et du schéma
des liaisons à la terre.
v Up : niveau de protection (à In)
C’est la tension maximale aux bornes du parafoudre lorsqu’il est passant. Cette
tension est atteinte lorsque le courant qui s’écoule dans le parafoudre est égal à
In. Le niveau de protection doit être choisi inférieur à la tenue en surtension des
charges (cf. paragraphe 3.2). Lors de coups de foudre, la tension aux bornes du
parafoudre reste généralement inférieure à Up.
v In : courant nominal de décharge
C’est la valeur de crête d’un courant de forme d’onde 8/20 µs que le parafoudre est
capable d’écouler 15 fois.
J11
U
En vert, la zone de
fonctionnement garanti
du parafoudre,
Up
Uc
I
< 1 mA
In
Imax
v Iimp : courant impulsionnel de décharge
C’est la valeur de crête d’un courant de forme d’onde 10/350 µs que le parafoudre
est capable d’écouler 5 fois.
v Ifi : courant d’auto-extinction
Applicable uniquement à la technologie à éclateur.
C’est le courant (50 Hz) que le parafoudre est capable d’interrompre de lui-même
après amorçage. Ce courant doit toujours être supérieur au courant de court-circuit
présumé au point d’installation.
Fig. J19 : Caractéristique temps/courant d’un parafoudre à varistance
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v Imax : courant maximal de décharge
C’est la valeur de crête d’un courant de forme d’onde 8/20 µs que le parafoudre est
capable d’écouler 1 fois.
v Uoc : tension en circuit ouvert appliquée lors des essais de class III (type 3)
2.4.2 Les principales applications
b Les parafoudres BT
Des dispositifs très différents, tant d’un point de vue technologique que d’utilisation,
sont désignés par ce terme. Les parafoudres basse tension sont modulaires pour
être facilement installés à l’intérieur des tableaux BT.
Il existe aussi des parafoudres adaptables sur les prises de courant mais
ces parafoudres ont une faible capacité d’écoulement.
b Les parafoudres pour les circuits à courant faible
Ces dispositifs protègent les réseaux téléphoniques, les réseaux commutés ou
d’automatisme (bus) contre les surtensions issues de l’extérieur (foudre) et celles
internes au réseau d’alimentation (équipement polluant, manœuvre d’appareillage,
etc.).
De tels parafoudres sont aussi installés dans des coffrets de distribution ou intégrés
dans des récepteurs.
J12
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3 Conception du système
de protection de l’installation
électrique
Pour protéger une installation électrique dans
un bâtiment, des règles simples s’appliquent
au choix
b du ou des parafoudres,
b de son dispositif de protection.
3.1 Règle de conception
Pour une installation de distribution électrique, les caractéristiques essentielles
servant à définir le système de protection foudre et choisir un parafoudre pour
protéger une installation électrique dans un bâtiment sont :
b parafoudre
v le nombre de parafoudre,
v le type,
v le niveau d’exposition pour définir le courant de décharge Imax du parafoudre.
b dispositif de déconnexion
v courant maximal de décharge Imax,
v niveau de court-circuit Icc au point d’installation.
Le logigramme ci-après illustre cette règle de conception.
Parafoudre
Y-a-t-il un paratonnerre sur
le bâtiment ou dans un rayon
de 50 m autour du bâtiment ?
Non
Faible
20 kA
Oui
Parafoudre
Type 2
Parafoudre
Type 1 + Type 2
ou
Type 1+ 2
Niveau de risque ?
Niveau de risque ?
Moyen
40 kA
Elevé
65 kA
12,5 kA
mini.
Imax
J13
25 kA
Iimp
Icc
au point d’installation ?
Dispositif de
Protection contre les court-circuits (DPCC)
Fig. J20 : Logigramme pour le choix d’un système de protection
Ce sous chapitre J3 décrit plus en détails les critères de choix du système de
protection en fonction des caractéristiques de l’installation, des équipements à
protéger et de l’environnement.
Les autres caractéristiques de choix d’un parafoudre sont prédéfinies pour une
installation électrique :
b nombre de pôles du parafoudre,
b le niveau de protection Up,
b la tension de service Uc.
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3.2 Eléments du système de protection
3.2.1 Localisation et type de parafoudres
Un parafoudre doit toujours être installé à
l’origine de l’installation électrique.
Le type de parafoudre à installer à l’origine de l’installation dépend de la présence ou
non d’un paratonnerre. Si le bâtiment est équipé d’un paratonnerre (selon CEI 62305)
un parafoudre de type1 doit être installé.
Pour les parafoudres en tête d’installation, les normes d’installation CEI 60364
imposent des valeurs minimales pour les 2 caractéristiques suivantes :
b courant nominal de décharge In = 5 kA (8/20) µs,
b niveau de protection
Up (à In) < 2, 5 kV.
Le nombre de parafoudre complémentaire à installer est déterminé par :
b la taille du site et la difficulté d’assurer l’équipotentialité. Sur des sites de
grande taille, il est impératif d’installer un parafoudre en tête de chaque armoire
divisionnaire.
b la distance des charges sensibles à protéger par rapport à la protection de tête.
Lorsque les récepteurs sont implantés à plus de 30 m de la protection de tête, il
est nécessaire de prévoir une protection fine spécifique au plus près des charges
sensibles.
b le risque d’exposition. En cas de site très exposé, le parafoudre de tête ne
peut pas assurer à la fois un fort écoulement du courant de foudre et un niveau
de protection suffisamment bas. En particulier, un parafoudre de type 1 est
généralement accompagné par un parafoudre de type 2.
Le tableau de la figure J21 ci-après indique le nombre et le type de parafoudre à
mettre en œuvre en fonction des 2 paramètres précédemment définis.
J14
Non
Y-a-t-il un paratonnerre sur le bâtiment ou
dans un rayon de 50 m autour du bâtiment ?
1 parafoudre de type 2 dans le tableau principal
Oui
1 parafoudre de type 1,
D < 30 m
Disjoncteur
de branchement
Distance des équipements sensibles de la
protection foudre installée dans
le tableau principal.
Disjoncteur
de branchement
Type 1
+
Type 2
SPD
Type 2
SPD
D
D
1 parafoudre de type 2/type 3 dans le tableau/coffret
proche des équipements sensibles
1 parafoudre de type 2/type 3 dans le tableau/coffret proche
des équipements sensibles
Disjoncteur
de branchement
Type 2
SPD
Disjoncteur
de branchement
Type 1
+
Type 2
SPD
Type 3
SPD
D > 30 m
Type 3
SPD
D
D
Fig. J21 : Les 4 cas de mise en œuvre de parafoudre
Note 1: Le parafoudre de type 1 est installé dans le tableau électrique raccordé à la prise de terre du paratonnerre.
04/03/2010 10:33:52
électrique
3.2.2 Mise en cascade des parafoudres
L’association en cascade de plusieurs parafoudres permet de répartir l’énergie entre
plusieurs parafoudres, comme présenté sur la Figure J22 où les trois types de
parafoudre sont prévus :
b type 1 : lorsque le bâtiment est équipé d’un paratonnerre et situé en tête
d’installation, il absorbe une quantité d’énergie très importante,
b type 2, il absorbe les surtensions résiduelles,
b type 3, il assure si nécessaire la protection «fine» des équipements les plus
sensibles au plus près des récepteurs.
Tableau général
basse tension
(protection de
tête)
90 %
Tableau
divisionnaire
Coffret de
protection fine
9%
1%
Equipement
sensible
Parafoudre
de type 2
Parafoudre
de type 1
Parafoudre
de type 3
J15
Capacité d'écoulement (%)
Fig. J22 : Architecture d’une protection fine
Note: Les parafoudres type 1 et 2 peuvent être associés dans un même parafoudre
N
PRD1 25 r
L1
L2
L3
PRD1 25 r
Fig. J23 : Le parafoudre PRD1 25r remplit les 2 fonctions de type 1 et de type 2 dans le même boîtier
04/03/2010 10:33:53
3.3 Caractéristiques communes des parafoudres
suivant les caractéristiques de l’installation
3.3.1 Tension de service Uc
Suivant le schéma des liaisons à la terre, la tension maximale de fonctionnement
permanent Uc des parafoudres doit être égale ou supérieure aux valeurs indiquées
dans le tableau de la Figure J24.
Parafoudre connecté
entre
Schéma des liaisons à la terre du réseau
TT
TN-C
TN-S
IT avec
neutre
distribué
IT sans
neutre
distribué
Conducteur de phase et
conducteur neutre
1,1 Uo
NA
1,1 Uo
1,1 Uo
NA
Chaque conducteur de
phase et PE
1,1 Uo
NA
1,1 Uo
3Uo
3Uo
Conducteur neutre et PE
Uo
NA
Uo
Uo
NA
Chaque conducteur de
phase et PEN
NA
1,1 Uo
NA
NA
NA
NA : non applicable
Uo est la tension simple du réseau à basse tension.
J16
Fig. J24 : Valeur minimale prescrite de Uc des parafoudres en fonction des schémas des liaisons
à la terre (à partir du tableau 53C de la norme CEI 60364-5-53)
Les valeurs de Uc les plus courantes choisies en fonction du schéma des liaisons à
la terre.
TT, TN
: 260, 320, 340, 350 V
IT
: 440, 460, V
3.3.2 Niveau de protection Up (à In)
Le niveau de protection Up « installé » généralement retenu pour protéger des
équipements sensibles dans installations électriques 230/400 V, est 2,5 kV
(catégorie de surtension II, cf. Fig. J25)
Note:
Si le niveau de protection prescrit ne peut pas être obtenu par le parafoudre de
tête ou si des équipements sensibles sont éloignés (voir paragraphe 3.2.1) des
parafoudres supplémentaires coordonnés doivent être mis en œuvre pour obtenir le
niveau de protection requis.
Tension nominale
de l’installation(1) V
Réseaux
Réseaux
triphasés(2)
monophasés
à point milieu
230/400(2)
277/480(2)
400/690
1,000
120-240
-
Tension de tenue aux chocs prescrite pour
kV(3)
Matériels à
Matériels de
Appareils
l’origine de
distribution et
d’utilisation et
l’installation
circuits
équipement
(catégorie de terminaux
(catégorie de
surtension IV) (catégorie de
surtension II)
surtension III)
4
2,5
1,5
6
4
2,5
-
8
6
4
Valeurs définies par les ingénieurs réseau
Matériels
spécialement
protégés
(catégorie de
surtension I)
0,8
1,5
2,5
(1) Selon la CEI 60038.
(2) Au Canada et aux USA, pour des tensions supérieures à 300 V par rapport à la terre, la
tension de tenue aux chocs correspondant à la tension immédiatement supérieure de la colonne
est applicable.
(3) Cette tension de tenue aux chocs est applicable entre les conducteurs actifs et le conducteur
PE.
Fig. J25 : Choix d’un équipement pour une installation conforme à la CEI 60364 (tableau 44B)
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électrique
b les matériels de la catégorie I sont des
matériels particulièrement sensibles aux
surtensions transitoires (appareils avec
circuits électroniques, etc.).
b les matériels de la catégorie II sont
des matériels consommateurs d’énergie,
alimentés à partir de l’installation fixe
(appareils électrodomestiques, outils
portatifs, etc.).
b les matériels de la catégorie III sont
des appareillages de l’installation fixe et
des matériels à usage industriel avec un
raccordement permanent à l’installation fixe.
b les matériels de la catégorie IV sont utilisés
à l’origine de l’installation (appareillages,
appareils de mesures, compteurs électriques,
etc.).
J17
Fig. J26 : Catégorie de surtension des matériels
Le parafoudre a un niveau de protection en tension Up intrinsèque c.-à-d. défini et
testé indépendamment de son installation.
En réalité, pour le choix de la performance Up d’un parafoudre, il faut prendre une
marge de sécurité pour tenir compte des surtensions inhérentes à l’installation du
parafoudre (cf. Fig. J27)
La performance Up « installé » doit être comparée à la tenue aux chocs des
récepteurs.
U1
Up
Charges à
protéger
Up
= Up + U1 + U2
installé
U2
Fig. J27 : Up « installé »
04/03/2010 10:33:54
3.3.3 Nombre de pôles
Suivant le schéma des liaisons à la terre, il est nécessaire de prévoir une
architecture du parafoudre assurant la protection en mode commun (MC) et en mode
différentiel (MD).
TT
TN-C
TN-S
IT
Phase –neutre (MD)
Recommandé1
-
Recommandé
Non utile
Phase-terre (PE ou PEN) (MC)
Oui
Oui
Oui
Oui
Neutre-Terre (PE) (MC)
Oui
-
Oui
Oui2
Fig. J28 : Besoin de protection selon le schéma des liaisons à la terre
Note:
b surtension de mode commun
Une protection de base consiste à installer un parafoudre en mode commun entre
les phases et le conducteur PE (ou PEN), quel que soit le type de schéma des
liaisons à la terre utilisé
b surtension de mode différentiel
Dans les schémas TT et TN-S, la mise à la terre du neutre conduit à une dissymétrie
due aux impédances de terre qui entraîne l’apparition de tensions de mode
différentiel, bien que la surtension induite par un coup de foudre soit de mode
commun.
J18
Parafoudre 2P, 3P et 4P (cf. Fig. J29)
b Ils sont adaptés aux schémas TN-C et IT.
b Ils fournissent seulement une protection contre les surtensions de mode commun.
Fig. J29 : Parafoudre 2P, 3P, 4P
04/03/2010 10:33:54
électrique
Parafoudre 1P + N, 3P + N (cf. Fig. J30)
b Ils sont adaptés aux schémas TT, TN-S, TN-C.
b Ils fournissent une protection contre les surtensions de mode commun et de mode
différentiel.
Fig. J30 : Parafoudre 1P + N, 3P + N
J19
3.4.1 Courant de décharge impulsionnel Iimp
b En absence de réglementations nationales ou spécifiques au type de bâtiment à
protéger :
le courant de décharge impulsionnel Iimp est au minimum de 12,5 k Â (onde 10/350 µs)
par branche suivant la CEI 60364-5-534.
b En présence d’une réglementation :
La norme 62305-2 définit 4 niveaux : I, II, III ou IV
Le tableau de la figure J31 indique les différents niveaux de Iimp dans le cas
règlementaire.
Niveau de protection
suivant EN 62305-2
Courant de foudre
paratonnerre
Iimpp mini Parafoudre Type
1 ( réseau triphasé)
I
200 kA
25 kA/pole
II
150 kA
18.75 kA/pole
III / IV
100 kA
12.5 kA/pole
3.4.2 Courant d’auto-extinction Ifi
Cette caractéristique n’est applicable que pour les parafoudres à technologie
éclateur. Le courant d’auto-extinction Ifi doit toujours être supérieur au courant
de court-circuit présumé Icc au point d’installation.
Fig. J31 : Tableau des valeurs de Iimp suivant le niveau de protection du bâtiment (d’après CEI/
EN 62305-2)
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3.5.1 Courant de décharge Imax des parafoudres
b Le courant de décharge Imax est défini, suivant le niveau d’exposition estimé par
rapport à la situation du bâtiment.
La valeur du courant nominal de décharge (Imax) est déterminée par une analyse du
risque (voir tableau de la figure J32).
Niveau d’exposition
Faible
Moyen
Elevé
Environnement des
bâtiments
Bâtiment situé dans une
zone urbaine ou suburbaine
d’habitations groupées
Bâtiment situés en plaine
Bâtiment où il existe un
risque spécifique : pylône,
arbre, région montagneuse,
zone humide ou étang,…
Valeur conseillée Imax
(kÂ)
20
40
65
Fig. J32 : Imax, courant de décharge maximum en fonction du niveau d'exposition
3.6 Choix des dispositifs de déconnexion
3.6.1 Risques à prévenir en fin de vie du parafoudre
J20
Le système de protection (thermique et courtcircuit) doit être coordonné avec le parafoudre
pour garantir un fonctionnement sûr, soit
b assurer la continuité de service :
v supporter les ondes de courant de foudre,
v ne générer de tension résiduelle trop
importante.
b assurer une protection efficace contre tous
les types de surintensités :
v surcharge suite à emballement thermique de
la varistance,
v court-circuit de faible intensité (impédant),
v court-circuit de forte intensité.
b Sur vieillissement
En cas de fin de vie naturelle sur vieillissement, la protection est de type thermique.
Les parafoudres à varistances doivent posséder un déconnecteur interne qui met
hors service le parafoudre.
Note : la fin de vie par emballement thermique ne concerne pas les parafoudres à
éclateur à gaz ou à air.
b Sur défaut
Les causes de fin de vie sur défaut court-circuit, sont dues à :
v un dépassement de la capacité d’écoulement maximale.
Ce défaut se traduit par un court-circuit franc,
v un défaut provenant du réseau de distribution (permutation neutre phase, rupture
du neutre),
v une dégradation lente de la varistance.
Ces 2 derniers défauts se traduisent par un court-circuit impédant
L’installation doit être protégée des dommages consécutifs à ces types de défaut : le
déconnecteur interne (thermique) défini ci-dessus n’a pas le temps de s’échauffer,
donc de fonctionner.
Un dispositif spécifique (appelé « dispositif de déconnexion externe »), apte à
éliminer le court-circuit, doit être installé. Il peut être réalisé par un disjoncteur ou un
appareillage à fusible.
3.6.2 Caractéristiques du dispositif de déconnexion externe
Le dispositif de déconnexion doit être coordonné avec le parafoudre. Il est
dimensionné pour tenir les 2 contraintes suivantes :
Tenue au courant de foudre
La tenue au courant de foudre est une caractéristique essentielle du dispositif de
déconnexion externe du parafoudre.
Le dispositif doit être capable de tenir les essais normalisés suivants :
- ne pas déclencher sur 15 courants impulsionnels successifs à In,
- déclencher à Imax (ou Iimp) sans être détérioré.
Tenue au courant de court-circuit
b Le pouvoir de coupure est déterminé par les règles d’installation (normes
CEI 60364) :
Le dispositif de déconnexion externe doit avoir un pouvoir de coupure égal ou
supérieur au courant de court-circuit présumé Icc au point d’installation (suivant les
normes CEI 60364).
04/03/2010 10:33:55
électrique
b La protection de l’installation contre le court-circuits
En particulier, le court-circuit impédant dissipe beaucoup d’énergie et doit être
éliminé très rapidement pour éviter des dommages à l’installation et au parafoudre.
Le choix de la protection est déterminé par le constructeur (dans les catalogues du
constructeur du parafoudre).
3.6.3 Mode d’installation du dispositif de déconnexion externe
b Dispositif « en série »
Le dispositif de déconnexion est désigné « en série » (cf. Fig. J33) lorsqu’il est
réalisé par la protection générale du réseau à protéger (par exemple, disjoncteur de
branchement en amont d’une installation).
normes CEI 60364).
J21
Fig. J33 : dispositif de déconnexion « en série »
b Dispositif « en parallèle »
Le dispositif de déconnexion est désigné « en parallèle » (cf. Fig. J34) lorsqu’il est
réalisé spécifiquement par une protection associée au parafoudre.
v Le dispositif de déconnexion est appelé « disjoncteur de déconnexion » si la
fonction est réalisée par un disjoncteur.
v Le disjoncteur de déconnexion peut être intégré ou non au parafoudre.
Note : dans le cas d’un parafoudre à éclateur à gaz ou à air, le dispositif de
déconnexion permet de couper le courant de suite après utilisation.
Fig. J34 : dispositifs de déconnexion « en parallèle »
04/03/2010 10:33:55
3.6.4 Garantie de la protection
Le dispositif de déconnexion externe doit être coordonné avec le parafoudre, testé
et garanti par le constructeur de parafoudre suivant les préconisations de la norme
CEI 61643-11 (NF EN 61643-1) chap. 7.7.3 . Il doit aussi être installé suivant les
recommandations du constructeur
Lorsque ce dispositif est intégré, la conformité à la norme produit CEI 61643-11
garantit naturellement la protection.
+
Fig. J35 : Parafoudres à dispositif de protection externe non intégré (C60N + PRD 40r) et intégré
(Quick PRD 40r)
3.6.5 Synthèse des caractéristiques du dispositif de
déconnexion externe
Une analyse détaillée des caractéristiques est réalisée au paragraphe J6.4.
Le tableau de la figure J36 présente, sur un exemple, une synthèse des
caractéristiques en fonction des différents types de dispositif de déconnexion externe
J22
Mode d’installation
du dispositif de
déconnexion externe
Protection foudre
des équipements
Protection installation
en fin de vie
Continuité de service en
fin de vie
Maintenance
en fin de vie
En série
En parallèle
Protection fusible
associé
=
Protection disjoncteur
associée
=
Protection disjoncteur
intégrée
=
=
Tous les types de dispositifs de déconnexion protègent correctement les équipements
-
=
Aucune garantie de protection
possible
--
--
Protection des courts-circuits
impédants mal assurée
++
Garantie totale
Protection des courts-circuits parfaitement assurée
+
L’installation complète est mise
hors service
Mise hors service de
l’installation nécessaire
+
Garantie constructeur
+
+
Seul, le circuit du parafoudre est mis hors service
=
Changement des fusibles
+
+
Réarmement immédiat
Fig. J36 : Caractéristiques de la protections fin de vie d'un parafoudre type 2 suivant le dispositif de déconnexion
04/03/2010 10:33:56
électrique
3.7 Tableau de coordination parafoudre et dispositif
de protection
Le tableau de la figure J37 ci-après présente la coordination des disjoncteurs de
déconnexion des parafoudres de types 1 et 2 de marque Schneider Electric pour
tous les niveaux de courants de court-circuit.
La coordination entre les parafoudres et les disjoncteurs de déconnexion, indiquée
et garantie par Schneider Electric, assurent une protection sure (tenue aux ondes de
foudre, protection renforcée des courants de court-circuit impédant,..).
Icc (kA)
Disjoncteur de déconnexion non intégré
Type 2 - classe II
Disjoncteur de déconnexion intégré
Type 1 - classe I
Nous contacter (filiation)
70
50
NG125L
80A(1)
NG125L
80A(1)
PRF1(3)
12.5r
PRD1(3)
Master
NG125H
80A(1)
NG125H
80A(1)
PRF1(3)
12.5r
PRD1
Master
36
J23
25
NG125N(2)
40A(2)
NG125N(2)
50A(2)
NG125N
80A(1)
PF 20/
PRD 20r
PF 40/
PRD 40r
PF 65/
PRD 65r
PRF1(3)
12.5r
C60H
25A(1)
C60H
40A(1)
C60H
50A(1)
PF 40/
PRD 40r
PF 65/
PRD 65r
C60L
20A(1)
C60L
25A(1)
PF 8/
PRD 8r
C60H
20A(1)
15
Quick
PRD 8r
PF 8/
PRD 8r
Quick
PRD 20r
PF 20/
PRD 20r
Quick
PRD 40r
C120H or
NG125N
80A(1)
NG125N
80A(1)
PRF1(3)
12.5r
10
C60N
20A(1)
C60N
25A(1)
C60N
40A(1)
C60N
50A(1)
C120N
80A(1)
PRD1
25r
6
PF 20/
PRD 20r
PF 40/
PRD 40r
PF 65/
PRD 65r
PRF1 12.5r(3)
Imax
8 kA
Protection dédiée à ajouter lorsque
l’équipement est situé à plus de 30 m
du tableau électrique.
20 kA
Risque faible
40 kA
Risque moyen
65 kA
Risque élevé
Pas de paratonnerre
Fig. J37 : Tableau de coordination entre les parafoudres et leur dispositif de déconnexion de la marque Schneider Electric
(1) : Pour tous les disjoncteurs : courbe C - (2) : NG125L pour 1P et 2P - (3) : Egalement testé classe II
12.5 kA
25 kA
Risque maximal
Paratonnerre installé
sur le bâtiment ou dans un
rayon de 50 m autour du bâtiment
PF 8/
PRD 8r
04/03/2010 10:33:56
électrique
3.7.1 Coordination avec les protections du réseau
Coordination avec les protections de surintensités
Dans l’installation électrique, le dispositif de déconnexion externe est un appareillage
identique à l’appareillage de protection : ce qui permet de mettre en œuvre les
techniques de sélectivité et de filiation pour une optimisation technico-économique
du plan de protection.
Coordination avec les dispositifs différentiels
Si le parafoudre est installé en aval d’une protection différentielle, celle-ci doit être
de type «si» ou Sélectif avec une immunité aux courants impulsionnels d’au moins
3 kÂ (onde de courant 8/20 µs).
Note : les dispositifs différentiels de type S conformes aux normes CEI 61008 ou
CEI 61009-1 satisfont à cette prescription.
J24
04/03/2010 10:33:56

Chapitre J La protection contre les surtensions

Transcription

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